Skripta Diagnostika a testování el.systémů

di na ně vedou ke splnění úkolu. K významu
kvalitativní a kvantitativní informace se ještě vrátíme při definici funkčních a parametrických
testů.
Přestože je množství měřicích metod obrovské, lze poměrně snadno stanovit strukturu
oboru měřicí technika. Je to tím, že měřicích metod je sice velké množství, ale druhů
měřených fyzikálních veličin je poměrně málo. Struktura měřicí techniky je tvořena
teoretickou základnou, která zahrnuje obecné zásady umožňující vypracovat základní strategii
měření na konkrétním objektu, a dále pak souborem konkrétních měřicích metod, které jsou
rozčleněny do skupin podle měřené veličiny.
Základem oboru technická diagnostika rovněž může být teoretická báze, která zahrnuje
obecné zásady řešení diagnostických úloh. Obtížnější je ovšem problém, jak členit a třídit
konkrétní diagnostické metody. Ukazuje se, že v praxi využívané metody diagnostického
zkoumání stavu technického objektu lze rozdělit do dvou zásadně odlišných skupin.
Funkční metody (přímé metody) technické diagnostiky jsou ty, které vyhodnocují
technický stav objektu na základě rozboru veličin, které mají bezprostřední vztah k funkci
zkoumaného objektu. Tyto veličiny mají charakter signálů nesoucích informaci o dějích
uvnitř sledovaného objektu ve vztahu k vnějšímu prostředí; dělíme je do tří skupin : vstupní,
vnitřní a výstupní proměnné. Je zřejmé, že při nasazení funkčních metod technické
diagnostiky je nezbytné uvést zkoumaný objekt do funkce. Vyšetřování technického stavu
objektu má pak charakter testování nebo monitorování (tedy bez speciálních vstupních
signálů, což je možné spíše výjimečně, hlavně v analogových obvodech, někdy jde o metody
na rozhraní s fyzikálními metodami).
Potřebná diagnostická aparatura - tester - zahrnuje generátor diagnostických testů a
vyhodnocovací zařízení. V obecném smyslu definujeme diagnostický test jako množinu
dvojic souboru vstupních proměnných a jim odpovídajícího souboru vnitřních a výstupních
proměnných. Je zřejmé, že funkční diagnostické metody, určené pro různé konkrétní
diagnostické objekty, se liší charakterem proměnných veličin a způsobem jejich
vyhodnocování. Tyto metody tedy nemohou být univerzální, musí být vypracovány zvlášť pro
každý typ diagnostického objektu. Při vytváření funkčních diagnostických metod využíváme
souboru obecných zásad, které tvoří teoretickou základnu funkční diagnostiky.
Diagnostika a testování elektronických systémů 13
13
Fyzikální metody (nepřímé metody) technické diagnostiky jsou ty, které vhodně
využívají známých fyzikálních principů pro odhalení poruch nebo pro odhalení jevu, který ke
vzniku poruchy může vést. Fyzikální metody využívají jevů, které nemají bezprostřední
souvislost s vlastní funkcí diagnostického objektu (tj. s vlastní funkcí zkoumaného
technického objektu souvisí jenom zprostředkovaně, nemají charakter funkčních signálů
objektem zpracovávaných). Při jejich aplikaci není tedy vždy nutné zkoumat objekt v průběhu
funkčního nasazení, i když je to v některých případech možné a někdy i nutné. Na rozdíl od
funkčních metod jsou fyzikální metody technické diagnostiky do značné míry univerzální.
Jedné a téže fyzikální metody lze použít pro zkoumání technických objektů různých typů.
Fyzikální metody se ovšem vyznačují jistou specializací na typ poruchy.
Diagnostické metody, které řadíme do druhé skupiny, zahrnují také metody klasické
nedestruktivní defektoskopie. Klasická defektoskopie je zaměřena především na odhalování
skrytých materiálových vad a poruch, které se mohou vyskytnout u mechanických součástí. V
průběhu času se z jednoduchých defektoskopických metod vyvinuly diagnostické metody,
které umožňuji fyzikálními metodami zkoumat i velmi složité technické objekty v průběhu
jejich funkčního nasazení. Povšimněme si, že fyzikální metody mohou být průběžné (on-line)
proto, že nepracují se signály, které systém zpracovává (nebo systém vůbec signály
nezpracovává, např. naftový motor).
Je třeba zdůraznit, že diagnostické metody obou základních skupin jsou vzájemně
nezastupitelné. Obě skupiny mají důležité postavení v technické praxi. Uveďme jednoduchý
příklad. Je zřejmé, že je-li naším úkolem diagnosticky zkoumat integrovaný obvod, který
obsahuje čtyři hradla typu NAND, pak je vhodné použit metodu založenou na testování
funkce zkoumaného objektu. Fyzikální metoda by pro tyto účely nebyla vhodná. Naproti
tomu, je-li naším úkolem prověřit ocelové lano lanovky, je rozumné využít vhodné fyzikální
metody. Ta nám umožní odhalit třeba jediné narušené vlákno lana. Funkční zkoušení by v
tomto případě nebylo vhodné, bylo by příliš riskantní, pokud bychom lano před testováním
nedemontovali z původní sestavy lanovky.

2.2 Vstupní test
Pro všechny otázky a problémy testu se předpokládá pokojová teplota a následující orientace
základních elektrických proměnných (proudů a napětí):
Dioda - orientace proudu a napětí od anody ke katodě.
Bipolární tranzistor – proudy do kolektoru, do báze a z emitoru.
Unipolární tranzistor - proudy do kolektoru (do kanálu), do hradla a z emitoru (z kanálu).


1. Jaký je matematický vztah pro závislost proudu I na napčtí U ideální polovodičové diody
jestliže napětí i proud orientujeme ve směru od anody ke katodě?


2. Jaký je matematický vztah pro závislost proudu I na napčtí U ideální polovodičové diody
jestliže napětí i proud orientujeme ve směru od katody k anodě?


14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3. Uveďte hodnotu teplotního napětí při pokojové teplotě a teplotní závislost tohoto
parametru.

4. Jaká je teplotní závislost saturačního proudu ideální diody ?

5. Jaký přírůstek napětí v propustném směru stačí na desetinásobné zvýšení proudu ideální
diodou ?

6. Jestliže první ideální dioda bude mít tisíckkát větší saturační proud než druhá, o kolik se
bude lišit jejich napětí při propustném proudu 1 mA, .1 m A, 10 mA?

7. Pro dvě identické ideální diody se saturačním proudem I
S
, zapojené proti sobě a připojené
na napětí U ≠ 0, určete přesný analytický vztah pro proud a napětí diody zapojené v
propustném směru.

8. Jestliže při propropustném proudu 0.1 mA bude na křemíkové diodě o 0.36 V vyšší napětí
než na germaniové diodě, která z diod má větší saturační proud a přibližně kolikrát?

9. Existuje vztah mezi napětím na diodě při konstantním proudu, saturačním proudem, vlastní
koncentrací polovodiče a šířkou zakázaného pásu? Pokud ano, jaký?

10. Vjakých režimech může pracovat bipolární tranzisot ( BT )? Jak jsou pólovány jednotlivé
přechody tranzistoru v těchto režimech?


11. Který režim BT je podstatný pro zesílení malého signálu?


12. Který režim BT je podstatný pro spínač?


13. Křemíkový bipolární tranzistor NPN je v zapojení SE s dostatečně kladným
kolektorovým napětím ( kolektorový přechod vždy uzavřen), proudy orientujeme do báze,
do kolektoru a z emitoru a sledujeme závislost jednotlivých proudů na napětí báze – emitor (
tzv. emitorové charakteristiky )
a) ve kterých režimech se tranzistor může nacházet?
b) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= 0.6 V?
c) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= 0 V?
d) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= -2 V?
e) hodnota kterého proudu změní znaménko při kladném U
BE
?
f) hodnota kterého proudu změní znaménko při záporném U
BE
?
g) hodnota kterého proudu nikdy nezmění znaménko?
h) absolutní hodnota kterého proudu bude největší pro U
BE
= -2 V?


Diagnostika a testování elektronických systémů 15
15
14. Které kolektorové zbytkové proudy bipolárního tranzistoru znáte?


15. Který z těchto kolektorových zbytkových proudů je největší a jak jsou tyto proudy
seřazeny podle velikosti?

16. V jakém zapojení (SE, SB, SC) má bipolární tranzistor obvykle největší výkonové
zesílení?

17. Určete AV charakteristiku dvojpólu, který vznikne zkratováním svorek báze a kolektoru
BT NPN s parametry I
ES
, I
CS
, α
N
, α
I
.

18. Určete AV charakteristiku dvojpólu B-E, který vznikne odpojením svorky kolektoru BT
NPN s parametry I
ES
, I
CS
, α
N
, α
I
.

19. Jak je definován parametr h
21e
v msg. modelu BT ?

20. Čím je způsoben sklon výstupních charakteristik bipolárního tranzistoru v normálním
aktivním režimu?

21. Při kterém zapojení je sklon největší a proč?

22. Prahové napětí NMOS tranzistoru s indukovaným kanálem je větší nebo menší než nula?

23. Může tranzistor NMOS s trvalým kanálem pracovat v režimu ochuzení?

24. Může tranzistor NMOS s indukovaným kanálem pracovat v obohacovacím režimu?

25. Jak je definován saturační režim pro NMOS tranzinzistor?

26. Který režim je podstatný pro aplikaci IGFET jako řízeného odporu?

27. Který režim je podstatný pro aplikaci IGFET jako zesilovače malého signálu?

28. Jaký je matematický vztah pro závislost výstupního proudu I
C
na vstupním napětí U
GE

tranzistoru NMOS pro saturační režim?

29. Tranzistor NMOS s indukovaným kanálem (U
pE
, K
E
) má zkratováno hradlo s kolektorem.
Určete AV charakteristiku nelineárního odporu I
CE
= I
CE
(U
CE
) pro U
CE
≥ 0.

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
30. Tranzistor NMOS s trvalým kanálem (U
pD
, I
CSAT0
) má zkratováno hradlo s emitorem.
Určete AV charakteristiku nelineárního odpor I
CE
= I
CE
(U
CE
) pro U
CE
≥ 0.
Diagnostika a testování elektronických systémů 17
17
3 Základní pojmy technické diagnostiky
Cíle kapitoly: Seznámení se základními pojmy jako jsou např.: Diagnostický objekt,
technický stav, diagnóza, prognóza, porucha, chyba, vada, funkčnost atd.

Pro předmět studia technické diagnostiky bývá zaváděn souhrnný název diagnostický
objekt; lze tak označit libovolně velký celek v rámci konstrukce systému. V elektronickém
systému budeme používat také označení testovaná jednotka a bude to např. logický člen,
logický obvod, zásuvná deska, funkční blok, funkční jednotka, číslicový počítač nebo
rozsáhlejší počítačová síť.
Pro testovanou jednotku musíme definovat vstupy a výstupy, jejichž prostřednictvím
může tato jednotka komunikovat se svým okolím především s tím, kdo provádí (řídí) test.
Takové vstupy i výstupy budeme označovat jako primární.
Základní úlohou diagnostiky je zjistit technický stav diagnostického objektu, tj. soubor
hodnot charakterizujících podstatné vlastnosti funkčních částí diagnostického objektu v
určitém časovém okamžiku.
Toto vyhodnocení technického stavu diagnostického objektu (vyhodnocení
provozuschopnosti diagnostického objektu za daných podmínek) se nazývá také diagnóza (a
později uvidíme, že zahrnuje detekci poruchy/poruch a případně její/jejich lokalizaci).
Poznámka: Úloze zjištění současného technického stavu systému jsou příbuzné úlohy
odhadu technického stavu v budoucnosti a v minulosti.
PROGNÓZA je extrapolace vývoje technického stavu do budoucnosti. Cílem prognózy
je např. stanovit na základě statistických vyhodnocení pravděpodobnost
bezporuchového stavu
v následujícím období nebo na základě postupných poruch stanovení termínů dílčích a
gene-rálních oprav nebo výměny určitého bloku objektu.
Prognóza má zvlášť velký význam u systémů pracujících v reálném čase, u nichž
je třeba zaručit funkceschopnost po určitý časový úsek, v němž se nemůže provádět
údržba bez škodlivých důsledků pro řízený proces. Vědní obor, který se prognózováním
zabývá, je technická prognostika. Má k diagnostice těsný vztah, zejména metodologicky,
a proto s ní bývá někdy neprávem ztotožňována.
GENEZE je analýza příčin poruchy nebo předčasného zhoršení technického stavu
objektu, tj. zabývá se otázkami minulého vývoje technického stavu, zejména
mechanismem vzniku poruch. Problematika geneze poruch má také bezprostřední
význam pro diagnostiku, a proto je jí ve výkladu diagnostiky vždy rezervováno určité
místo.
Podle toho, zda testovaná jednotka je nebo není schopna v následujícím okamžiku plnit
předepsanou funkci, rozlišujeme dva základní stavy, a to bezporuchový a poruchový. Jako
poruchový budeme označovat stav, kdy se v testované jednotce vyskytla alespoň jedna
porucha.
Při studiu diagnostiky se často budeme setkávat s pojmy porucha a chyba. Je třeba
rozlišovat mezi těmito dvěma pojmy.
18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Porucha (angl. fault) je definována jako jev spočívající v ukončení schopnosti objektu
plnit požadovanou funkci podle technických podmínek (vykonávat funkci, ke které byl
určen). Za poruchu tedy považujeme např. jeden zničený tranzistor v elektronickém obvodu,
zkrat mezi vývody pouzdra integrovaného obvodu nebo vnitřní trhlinu v mechanické
součástce atd. Za poruchu je třeba považovat i hodnoty funkčních parametrů rozdílné od
předpokládaných. Je-li na desce plošných spojů kondenzátor, jehož kapacita je 47 pF namísto
předepsaných 47 nF, pak se jedná o poruchu, přestože samotný kondenzátor, posuzovaný jako
samostatná součástka, je vlastně v pořádku. Za poruchu se považuje i změna fyzikálních
vlastností materiálu, ze kterého je vyrobena mechanická součást, protože i tento jev může vést
k selhání funkce diagnostického objektu.
Naproti tomu chyba (angl. error) je rozdíl (neshoda) mezi správnou a skutečnou
hodnotou nějaké veličiny, zjištěný měřením nebo pozorováním. Z uvedených dvou definic
vyplývá, že chyba je vždy důsledkem nějaké poruchy, avšak každá porucha se nemusí nutně
(nebo bezprostředně při svém vzniku) projevit jako chyba (např. nepoužívá-li se při provádění
funkce žádná z poruchových součástek). Stručně může být chyba definována jako projev
poruchy (jejím prostřednictvím vlastně poruchu odhalíme) - není chyby bez poruchy.
Poruchu, která se zatím chybou neprojevila, označujeme jako latentní neboli skrytou. Jako
příklad latentní poruchy můžeme uvést poruchu paměťového místa, s níž právě používaný
program vůbec nepracuje. Programátor, který po ukončení výpočtu získá správné výsledky, je
jistě ochoten prohlásit počítač za bezporuchový.
Právě možnost vzniku tohoto jevu (latentní poruchy) měla za následek rozvoj funkčních
metod technické diagnostiky (tj. aby se nějak prošly všechny možné stavy). U mechanických
systémů je tomu podobně, porucha se nemusí okamžitě projevit jako chyba, ovšem její
pozdější účinek může mít za následek velké škody.
Vzhledem k tomu, že objekt, v němž se nevyskytuje porucha, je schopen provozu,
označuje se bezporuchový stav také jako provozuschopný. Provozuschopné stavy lze dále
dělit na bezzávadové a závadové. Závada je přitom chápána jako jev, který nezabraňuje
předepsané funkci výrobku, ale vyžaduje údržbu nebo kontrolu, protože hodnota některého z
parametrů se nebezpečně přiblížila mezi povolené technickými podmínkami. Názvoslovná
norma ČSN 01 0101 zavádí navíc termín vada, který je definován natolik obecně, že může
zahrnovat jakoukoli odchylku parametrů včetně poruchy. Důsledkem je značná nejasnost při
interpretaci označení vadný výrobek, a proto se jeho použití budeme vyhýbat.

Provozuschopnost, porucha, funkčnost, neporušenost
Provozuschopnost objektu je stav, ve kterém je objekt schopen vykonávat všechny
stanovené funkce dle technických podmínek.
Porucha je jev určující ukončení provozuschopnosti objektu.
Funkčnost objektu je schopnost objektu vykonávat určitou funkci dle technických
podmínek. Objekt tedy může být ve stavu funkčním, ale ne provozuschopném.
Objekt je neporušený (tj. bez závad, správný), jestliže technické stavy všech
elementárních prvků objektu jsou v mezích technických podmínek. Objekt tedy může byt
funkční, provozuschopný, ale není bez závad. V technické praxi zřídka kdy dochází k tzv.
náhlé poruše (tj. poruše vzniklé skokovou změnou jednoho nebo více strukturních parametrů
objektu). Technický stav se zhoršuje postupně (u strojních objektů toto zhoršování způsobuje
např. adhezní, abrasivní, erosivní, kavitační, únavové a vibrační opotřebení, koroze,
deformace, šířící se mikrotrhlina, u integrovaného obvodu degradační změny v polovodiči
Diagnostika a testování elektronických systémů 19
19
způsobené nedokonalým zapouzdřením, nečistým materiálem apod.). Porucha v uvedených
příkladech vzniká postupně tj. některé hodnoty diagnostických parametrů se časem mění a
blíží se k přípustným mezím.
Detekce a lokalizace poruchy.Existují dvě základní úlohy (podúlohy) diagnostiky, a to
a) odhalení existence poruchy - její detekce
b) stanovení vadné součásti nebo bloku - lokalizace poruchy.
Rozlišení poruchového a bezporuchového stavu je jednou ze základních úloh
diagnostiky, zvanou detekce poruchy. Při detekci poruchy tedy nejde o žádné bližší určení
poruchového stavu, o zjištění, o jakou poruchu se jedná, ani o to, kolik poruch se v
diagnostickém objektu vyskytuje. Výsledkem takového experimentu je jednobitová
informace, která může být sdělována např. rozsvícením žárovky, signalizující, že výrobek
není schopen dalšího provozu.
Informace o detekci poruchy je dostatečná pro vyřazení příslušného výrobku (z
montáže, z provozu apod.), ovšem pro potřeby údržby je třeba poruchu najít s dostatečnou
přesností, aby bylo možno výrobek opravit. Tuto úlohu označujeme jako lokalizace poruchy a
provádíme ji jako úkon bezprostředně předcházející opravě (nebo alespoň rozhodnutí, zda je
oprava možná ).
K tomu, abychom mohli sestavit použitelnou diagnostickou metodu, potřebujeme hlubší
znalosti o zkoumaném objektu. Vedle znalosti chování objektu v bezporuchovém stavu
musíme znát chování objektu v uvažovaných poruchových stavech. Je tedy také nutné
definovat možné poruchové stavy, což vyžaduje znalost struktury zkoumaného objektu. Bez
znalosti struktury je prakticky nemožné řešit úlohu lokalizace poruchy.
Obvykle stačí lokalizovat poruchu s přesností na jeden výměnný modul, protože v
údržbářské praxi se údržba téměř vždy provádí formou výměny modulu montážního celku), v
němž se může vyskytovat větší množství různých poruch. Z hlediska údržby systému je pak
většinou nepodstatné jaká porucha se uvnitř modulu vyskytla, protože modul je stejně třeba
vyměnit jako celek. Poruchové stavy testované jednotky je proto účelné dělit do skupin
vyžadujících stejnou opravu. V ideálním případě bychom měli všechny poruchové stavy
odpovídající poruchám a kombinacím poruch uvnitř jednoho modulu, sdružit do jedné
skupiny stavů a tu odlišit od všech ostatních skupin. Je ovšem třeba předem upozornit na to,
že automatická lokalizace poruch s přesností na jeden výměnný modul je velmi obtížná úloha,
která je v praxi mnohdy řešitelná pouze za cenu dosti rozsáhlých zásahů do struktury obvodu,
nebo za cenu velmi nákladného testovacího zařízení.
S lokalizací poruch souvisí tzv. diagnostické rozlišení (také nazývané jako diagnostické
pokrytí nebo hloubka detekce, resp. lokalizace) udávající počet detekovaných resp.
lokalizovaných poruch daným diagnostickým algoritmem. Většinou se pro vyjádření
diagnostického pokrytí používá relativní vyjádření L
rel
, tj. poměr detekovatelných resp.
lokalizovatelných poruch L k celkovému počtu možných (tj. na objektu definovaných) poruch
L, neboli
L
L
L
rel
=
max

Technická diagnostika je moderní metodou zjišťování technického stavu nejrůznějších
objektů, s nimiž se setkáváme v technické praxi. Jak již naznačuje sám název diagnostika,
převzatý z lékařství, je podstatou této metody nepřímé zkoumání objektu, založené na
vyhodnocení jeho vnějších projevů, ať již během normální funkce, nebo v situaci, kterou
experimentátor úmyslně vyvolal. To, že při využití diagnostických metod nemáme přímý
20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
přístup k jednotlivým součástkám (částem) zkoumaného objektu, se často zdůrazňuje též
označením bezdemontážní (nedestruktivní) diagnostik